Pjezoelektrinis efektas ir jo taikymas technologijoje
1880 m. broliai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado, kad suspaudžiant ar ištempus tam tikrus natūralius kristalus, kristalų kraštuose atsiranda elektros krūviai. Broliai šį reiškinį pavadino „pjezoelektra“ (graikiškas žodis „piezo“ reiškia „spausti“), o patys tokius kristalus vadino pjezoelektriniais kristalais.
Kaip paaiškėjo, turmalino kristalai, kvarcas ir kiti natūralūs kristalai, taip pat daugelis dirbtinai išaugintų kristalų turi pjezoelektrinį efektą. Tokie kristalai reguliariai įtraukiami į jau žinomų pjezoelektrinių kristalų sąrašą.
Tokį pjezoelektrinį kristalą ištempus arba suspaudžiant norima kryptimi, ant kai kurių jo paviršių atsiranda priešingi elektros krūviai su nedideliu potencialų skirtumu.
Jeigu ant šių paviršių dedame tarpusavyje sujungtus elektrodus, tai kristalo suspaudimo ar tempimo momentu elektrodų suformuotoje grandinėje atsiras trumpas elektrinis impulsas.Tai bus pjezoelektrinio efekto pasireiškimas... Esant pastoviam slėgiui, toks impulsas neatsiras.
Šiems kristalams būdingos savybės leidžia gaminti tikslius ir jautrius instrumentus.
Pjezoelektrinis kristalas yra labai elastingas. Kai jėga deformuojama, kristalas be inercijos grįžta į pradinį tūrį ir formą. Verta vėl pasistengti arba pakeisti tai, kas jau buvo pritaikyta, ir tai iškart atsilieps nauju srovės impulsu. Tai geriausias įrašymo įrenginys, leidžiantis pasiekti labai silpnas mechanines vibracijas. Srovė vibruojančio kristalo grandinėje yra maža ir tai buvo kliūtis, kai broliai Curie atrado pjezoelektrinį efektą.
Šiuolaikinėse technologijose tai nėra kliūtis, nes srovė gali būti sustiprinta milijonus kartų. Dabar žinoma, kad tam tikri kristalai turi labai reikšmingą pjezoelektrinį poveikį. O iš jų gaunama srovė gali būti perduodama laidais dideliais atstumais, net ir be išankstinio stiprinimo.
Pjezoelektriniai kristalai buvo naudojami ultragarso defektų aptikimui metalo gaminių defektams aptikti. Elektromechaniniuose radijo dažnių stabilizavimo keitikliuose, daugiakanalio telefono ryšio filtruose, kai vienu laidu vienu metu vyksta keli pokalbiai, slėgio ir stiprinimo jutikliai, adapteriuose, adresu ultragarsinis litavimas — daugelyje technikos sričių pjezoelektriniai kristalai užėmė nepajudinamą vietą.
Svarbi pjezoelektrinių kristalų savybė buvo ir atvirkštinis pjezoelektrinis efektas... Jeigu tam tikriems kristalo paviršiams bus taikomi priešingų ženklų krūviai, tai patys kristalai tokiu atveju deformuosis.Jei kristalui bus pritaikytos garso dažnio elektrinės vibracijos, jis pradės vibruoti tokiu pat dažniu, o garso bangos bus sužadintos aplinkiniame ore. Taigi tas pats kristalas gali veikti ir kaip mikrofonas, ir kaip garsiakalbis.
Kita pjezoelektrinių kristalų savybė daro juos neatsiejama šiuolaikinių radijo technologijų dalimi. Turėdamas natūralų mechaninių virpesių dažnį, kristalas ypač stipriai pradeda vibruoti tuo momentu, kai su juo sutampa taikomos kintamosios įtampos dažnis.
Tai elektromechaninio rezonanso pasireiškimas, kurio pagrindu sukuriami pjezoelektriniai stabilizatoriai, dėl kurių nuolatinių virpesių generatoriuose palaikomas pastovus dažnis.
Jie panašiai reaguoja į mechaninius virpesius, kurių dažnis atitinka natūralų pjezoelektrinio kristalo virpesių dažnį. Tai leidžia sukurti akustinius įrenginius, kurie iš visų juos pasiekiančių garsų atrenka tik tuos, kurie reikalingi vienam ar kitam tikslui.
Pjezoelektriniams prietaisams nepriimami sveiki kristalai. Kristalai supjaustomi į sluoksnius, griežtai orientuotus atsižvelgiant į jų kristalografines ašis, iš šių sluoksnių gaminamos stačiakampės arba apskritos plokštės, kurios vėliau nupoliruojamos iki tam tikro dydžio. Plokščių storis yra kruopščiai prižiūrimas, nes nuo jo priklauso virpesių rezonansinis dažnis. Viena ar kelios plokštės, sujungtos metaliniais sluoksniais ant dviejų plačių paviršių, vadinamos pjezoelektriniais elementais.